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型坯成型階段研究狀況

型坯形成是指通過(guò)擠出成型得到半熔融狀態(tài)的塑料管坯(型坯)。隨著中空吹塑制件的幾何形狀越來(lái)越復(fù)雜,設(shè)計(jì)良好的預(yù)成型型坯對(duì)以最小的材料消耗獲得所需求的壁厚分布且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的制件有著重要的意義,也就是在型坯成型階段通過(guò)采用調(diào)節(jié)型坯的壁厚分布形狀,以使吹塑制品的壁厚分布趨于均勻。由于型坯形成時(shí)的擠出膨脹、下垂、回彈等因素使得型胚成型階段型胚尺寸在長(zhǎng)度方向不一致而變得非常復(fù)雜。

由于擠出的聚合物型坯溫度高而無(wú)法直接測(cè)量，對(duì)擠出吹塑中型坯成型階段的實(shí)驗(yàn)研究主要是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)量型胚直徑分布和壁厚分布。

最早用實(shí)驗(yàn)方法研究而獲得型坯尺寸的是Sheptakr等人。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種被稱為“夾坯型”的特殊模具來(lái)分析型坯。這種裝置只能得到型坯的質(zhì)量膨脹Sw，但不能直接得到型坯的直徑和壁厚膨脹。

Kalyon等[2]在上述裝置上增加了一套攝像裝置，可用于拍攝模具夾坯前型坯的圖像，從而可獲得型坯的直徑分布。這種方法能得到較精確的型坯直徑分布，但較費(fèi)時(shí)，且不能用于在線測(cè)量，因此限制了它的實(shí)際應(yīng)用。

另一種測(cè)量型坯膨脹的方法是塑料熔體直接擠出到與熔體相同溫度和密度的油中，這樣可以在無(wú)垂伸和固化的條件下測(cè)量型坯的膨脹；同時(shí)由于油箱側(cè)壁是透明玻璃，可在一定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)型坯進(jìn)行拍照；又由于塑料熔體的透明性，根據(jù)照片就可確定型坯內(nèi)外的直徑分布。

由于型坯膨脹，型坯的形狀尺寸沿著型坯長(zhǎng)度方向是不一致的。為了標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量的位置，每隔固定時(shí)間用噴墨裝置把碳黑粒子噴射到型坯表面上做記號(hào)。但這種方法沒(méi)有考慮垂伸的影響，難以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

隨著圖像分析技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的研究者都偏向使用圖像分析技術(shù)來(lái)確定型坯尺寸。型坯的直徑分布可通過(guò)圖像直接測(cè)量，但型坯的厚度分布則不能，它只能間接計(jì)算得到。許多的研究者試著用不同的測(cè)量手段和算法來(lái)計(jì)算型坯壁厚分布。

P.L.Swan等[3]設(shè)計(jì)了一套使用兩臺(tái)攝像機(jī)的裝置來(lái)測(cè)量型坯膨脹尺寸（如圖4所示）。讓型坯擠入到溫度與型坯一樣的容器中，位于下面的攝像機(jī)（9）對(duì)準(zhǔn)型坯的末端，而位于上端的攝像機(jī)（5）發(fā)出信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制攝像機(jī)（9）的位置以保證其在型坯擠出過(guò)程中總是對(duì)準(zhǔn)型坯的末端。通過(guò)圖像可以得到型坯的直徑和壁厚尺寸。但實(shí)驗(yàn)裝備復(fù)雜且只考慮等溫的情況，實(shí)際應(yīng)用不廣。

R.W.Diraddo和A.Garcia-Rejon[4]提出只建立在圖像分析基礎(chǔ)上非接觸式測(cè)量型坯壁厚分布的方法。該實(shí)驗(yàn)只使用一臺(tái)攝像機(jī)對(duì)型坯擠出過(guò)程進(jìn)行拍照，測(cè)量出型坯長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系、型坯的直徑分布、擠出流率、型坯沿長(zhǎng)度方向的溫度梯度，再根據(jù)型坯壁厚分布與這些參數(shù)的關(guān)系計(jì)算出型坯壁厚分布。R.W.Diraddo等用此方法分別研究了不同分子量大小的HDPE樹(shù)脂，流率、熔體溫度、口模間隙對(duì)型坯壁厚分布的影響。這種方法理論復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理較繁瑣。

W.I.Patterson和M.R.Kamal[5]開(kāi)發(fā)了型坯壁厚尺寸分布在線閉環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，型坯的長(zhǎng)度和直徑可通過(guò)相機(jī)及與其相連的圖像分析儀直接得到，型坯壁厚分布則通過(guò)幾何關(guān)系計(jì)算獲得，但其中所用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)比較難得到。若要實(shí)現(xiàn)對(duì)型坯壁厚尺寸分布的在線閉環(huán)控制，則需要一種能直接在線測(cè)量型坯壁厚分布的方法。

假定熔體流量為一常數(shù)的前提下，型坯壁厚可由一簡(jiǎn)單方法計(jì)算得到，且可用于在線測(cè)量。最早使用該方法的是德國(guó)Kaise，后由SveinEggen和ArneSommerffeldt[6]改進(jìn)，測(cè)量裝置簡(jiǎn)圖如圖5所示。由攝像機(jī)和向型坯表面噴墨的裝置及圖形分析儀組成。

型坯的直徑分布可直接由所拍攝的圖片得到，再測(cè)量相鄰墨點(diǎn)間的距離，根據(jù)流量為一常數(shù)的假設(shè)，型坯的壁厚分布可由計(jì)算得到。

其中R是型坯半徑，q是流率，ρ是熔體密度，z是相鄰墨點(diǎn)間的距離。這種方法理論簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)易，測(cè)量精度較高，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，處理較繁瑣。

有些研究者利用光學(xué)方法來(lái)研究型坯成型。P.L.Swan、M.R.Kamal和A.Garcia-Rejon[7]研制開(kāi)發(fā)了一套光學(xué)傳感器測(cè)量裝置，如圖6所示，它可在閉模前在線測(cè)量型胚的厚度尺寸分布。該裝置是基于光學(xué)中光線反射的原理設(shè)計(jì)的。

一束激光一定的角度射向型坯表面，激光束經(jīng)型坯內(nèi)外表面反射形成兩束激光，攝像鏡頭檢測(cè)出這一間隔并將送入計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)，根據(jù)幾何關(guān)系，計(jì)算機(jī)就能算出型坯壁厚分布。

但在光線反射的同時(shí)還存在光線的折射問(wèn)題,而光線的折射在這種測(cè)量方法中是不容忽視的,要把折射考慮進(jìn)去并且要確定型坯的折射率無(wú)疑給這種測(cè)量方法增加了很大的復(fù)雜性和難度。